Numerical Comparative Study of Compressible and Incompressible Models for Predicting Combined Natural Convection and Radiation in Participating Medium

سال انتشار: 1405
نوع سند: مقاله ژورنالی
زبان: انگلیسی
مشاهده: 50

فایل این مقاله در 22 صفحه با فرمت PDF قابل دریافت می باشد

استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:

لینک ثابت به این مقاله:

شناسه ملی سند علمی:

JR_JAFM-19-10_001

تاریخ نمایه سازی: 21 مهر 1405

چکیده مقاله:

Natural convection coupled with volumetric radiation governs heat transfer in high-temperature systems, yet modeling relies heavily on the Boussinesq approximation, limited to weak density variations. This study provides the first systematic comparison of compressible and incompressible formulations for convection–radiation in participating media. The incompressible model adopts the Boussinesq approximation, wherein density is constant except in the buoyancy term, thermophysical properties are fixed, and validity requires εb≪۱. Conversely, the compressible model uses a low-Mach-number (LMN) formulation, allowing nonlinear density variations through the equation of state, with viscosity and conductivity following Sutherland's law and no restriction on ΔT. A unified numerical framework is developed by coupling low-Mach-number (LMN) compressible Navier–Stokes equations with the Discrete Ordinates Method (DOM) for radiative transfer, implemented in finite volumes and validated against benchmarks (deviations <۱% hydrodynamic, <۴% radiative). Results uncover a regime shift with increasing Boussinesq parameter. Radiation dominates, boosting radiative Nusselt by ۵۰% while halving convection. Radiation amplifies compressibility via temperature–density coupling, causing deviations up to ۲۰% in radiation and ۵۰% in convection between compressible and Boussinesq predictions. Critically, a thermal threshold ΔT ≈ ۲۰۰ K emerges, below which Boussinesq holds but beyond which it fails due to strong density variations-lower than pure-convection limits. We propose a three-tier modeling hierarchy for low-, intermediate-, and high-temperature regimes. This work reveals radiation-compressibility interplay, challenging assumptions in buoyancy flows and offering a predictive framework for advanced thermal systems.

نویسندگان

N. Rachedi

Laboratory of Chemical Process Engineering, Setif ۱ University- Ferhat Abbas, Algeria

M. Guellal

Laboratory of Chemical Process Engineering, Setif ۱ University- Ferhat Abbas, Algeria

M. Bouafia

Laboratory of Mechanics and Energetics of Evry, University of Evry, Evry Cedex, France

مراجع و منابع این مقاله:

لیست زیر مراجع و منابع استفاده شده در این مقاله را نمایش می دهد. این مراجع به صورت کاملا ماشینی و بر اساس هوش مصنوعی استخراج شده اند و لذا ممکن است دارای اشکالاتی باشند که به مرور زمان دقت استخراج این محتوا افزایش می یابد. مراجعی که مقالات مربوط به آنها در سیویلیکا نمایه شده و پیدا شده اند، به خود مقاله لینک شده اند :
  • Akiyama, M., & Chong, Q. P. (۱۹۹۷). Numerical analysis of ...
  • Balaji, C., & Venkateshan, S. P. (۱۹۹۳). Interaction of surface ...
  • Kogawa, T., Okajima, J., Komiya, A., & Maruyama, S. (۲۰۲۱). ...
  • Mondal, B., & Li, X. (۲۰۱۰). Effect of volumetric radiation ...
  • نمایش کامل مراجع